光电复合范文（精选8篇）
光电复合 第1篇
海底光纤复合电力电缆 (简称“海底光电复合缆”) 是一条既能传输电能, 又能实现光纤通信的复合缆。与分别敷设海底电缆和海底光缆相比, 海底光电复合缆具有综合成本低、施工时间短、敷设方便等优点, 因而其越来越受到广大客户的欢迎。
1 结构设计
海底光电复合缆是在海底电力电缆的基础上再结合进光单元, 以满足电力和通信同时传输的要求。图1为我们所设计的长度为41 km的YJQF41-26/35-3×120+2×12B1海底光电复合缆, 其结构参数参见表1。本海底光电复合缆中所用的光单元和填充条结构申报了中国国家专利, 现已被中国国家知识产权局授权, 专利号分别为ZL200720086505.X, ZL200720086504.5。
本海底光电复合缆中三根电力绝缘线芯采用通常的分相铅套电缆结构和交联聚乙烯 (XLPE) 绝缘。为了防止和减缓XLPE绝缘料中水树的生长, 我们采用了新近研发的高洁净抗水树可交联聚乙烯 (TR-XLPE) 。
本海底光电复合缆中放置在三根绝缘线芯边隙中的光单元具有纵向及径向阻水功能。在早期的设计中, 我们曾采用过铝-聚乙烯黏结护套的松套层绞式全填充光缆作为光单元, 虽然当时对纵包铝塑复合带的径向阻水性能也有点担忧, 但这种结构的海底光电复合缆从2004年在菲律宾某海域敷设至今, 一直运行良好, 说明铝—聚乙烯黏结护套的光单元结构在海底光电复合缆中的性能十分可靠。该结构光单元的优点是可含大芯数光纤, 缺点是制造长度较短, 一般不超过5 km。由于不锈钢束管纵向焊缝品质的稳定和提高, 其径向阻水性能得到了业界公认, 因而在现在的设计中, 光单元的结构越来越多地倾向于中心不锈钢束管式。图2为我们在研制的海底光电复合缆中所采用的光单元结构。
一般海底光电复合缆的填充材料要满足非吸湿、方便填充以及节省成本的要求, 较多采用聚丙烯撕裂膜绞合的粗股绳。由于本海底光电复合缆是一条整根长度为41 km的海底光电复合缆, 自重大于1 300 t, 为防止在放置成品缆的水池中处于底部的缆受到上部缆压力而出现可能的变形损伤, 我们在结构设计中采用了成形填充条, 在三根电力线芯没有复合光单元的边隙中, 填入扇形填充条;在复合光单元的边隙中, 填入顶部挖去圆弧 (为放置光单元) 的扇形填充条。
2 制造工艺
2.1光单元
本海底光电复合缆的光单元制造除了一些参数控制不同外, 与常规的光缆生产几乎一样。首先是光纤的余长控制。光单元中光纤的余长与光单元的结构、海底光电复合缆的抗拉特性和温度特性密切相关。在中心不锈钢束管中, 光纤余长设计为0.3%～0.5%, 制造时光单元中光纤余长应严格控制在设计要求范围内, 以使机械拉力的作用和温度的变化均不会对光纤产生应力, 避免光纤产生附加损耗。其次是纤膏填充率的控制。光纤对水和潮气产生的OH-极为敏感, 水和潮气会使光纤表面的微裂纹扩张, 从而使光纤的强度显著下降。水与不锈钢束管的金属材料之间的化学反应所产生的氢会引起光纤的氢损, 导致光纤的传输损耗增大, 严重影响光单元的品质和使用寿命。为了防止水和潮气渗入不锈钢束管, 不锈钢束管内纤膏的填充率应控制在90%以上。填充率以实际填充的纤膏体积与理论计算可填充的总体积之比来计算。
光单元原材料尤其是光纤和纤膏的选择十分重要。通常根据用户的要求选用G.652光纤或G.655光纤。在海底光电复合缆中, 光纤应采用具有较高强度、能承受较大应变的单模光纤。进厂检验时, 光纤的筛选应变不小于1.5%。纤膏除了要求有良好的物理化学稳定性外, 还必须具有良好的温度稳定性, 避免纤膏在低温下对光纤产生径向应力, 引起光纤微弯, 增加其低温附加损耗。为此, 尽管是质量稳定的供应商提供的产品, 进厂时也应请一些检验机构对纤膏的性能指标进行检测, 尤其是对纤膏流变特性的检测。
2.2电力绝缘芯线及工厂软接头
本海底光电复合缆电力绝缘导体应采用阻水导体结构, 导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽采用三层共挤生产。在电力绝缘线芯制造完后, 应停放足够的时间再进入压铅工序, 以便使XLPE绝缘和屏蔽中的副产物尽量挥发掉。
海底光电复合缆一般采用整根长度连续、无中间接头的光单元。光单元结构尺寸小, 容易做到连续大长度, 而电力绝缘线芯由于受设备规范的限制, 其制造长度不可能同海底光电复合缆的一样。因此我们只能按周转盘的最大长度容量分段制造电力绝缘线芯, 在成缆及挤制护层时再进行工厂接头, 达到连续大长度的要求。在制作工厂软接头时, 应注意以下几点:a.接头区的电力绝缘线芯直径应不大于本体的110%, 以免接头太大而破坏复合缆的结构。b.应使三相线芯的接头部位相互错开一定的距离, 在三相接头完成后整个接头区的长度约6 m。c.导体采用分层焊接, 每层焊接的点也应相互错开。尽管分层焊接工艺复杂, 所需时间长, 但焊接后的直流电阻小 (由于焊接过程中加了银焊片的缘故) , 抗拉强度高。d.接头的导体屏蔽、绝缘挤制采用与电缆本体同样的材料。反应力锥尺寸应严格符合设计值, 先用手工削制, 再用机械打磨, 最后用无水乙醇洗净粉尘, 吹干。接头部位在XLPE绝缘挤制后, 先检测绝缘内有无气孔、杂质及偏心等, 符合要求后, 再进行硫化处理。e.接头部位绝缘屏蔽的恢复, 应先喷涂半导电漆, 再缠绕0.6 mm×25 mm的半导电自黏带, 外面再绕包0.6 mm厚的半导电阻水带。f.接头的铅管采用与电缆本体同样的铅合金材料。铅管在一端与电缆本体铅套焊接后, 经3～4道拉模拉拔, 使铅管紧贴线芯, 割去多余的铅管, 再将铅管同本体焊接。铅包焊接过程中应严格注意焊接的温度和时间。最后再进行接头区防腐层和护套的恢复。
3 测试结果
在本海底光电复合缆的制造过程中, 我们首先在电力绝缘芯线压铅工序完成后, 进行了局部放电检测和交流耐压试验, 合格后再流入下道工序。其次, 在成缆前应测试光单元的相关光学性能和机械性能。最后, 对成品海底光电复合缆进行了直流电阻试验、直流耐压试验、光单元的传输性能试验。
具体的机械性能试验方法为:a.盘绕试验。将200 m海底光电复合缆进行盘绕试验, 盘绕高度不小于7 m, 直径为6 m。试样至少含一套软接头, 试样经导轮盘绕5次。在盘绕过程中监测光单元的任意一芯光纤的光传输性能变化。盘绕试验结束后, 测试所有光纤的损耗, 并同盘绕前的数据对比。最后将海底光电复合缆回收绕至电缆盘上, 进行下一项性能试验。b.拉伸试验。从盘绕试验后的试样中取含有一套软接头的三芯电缆进行拉伸试验。拉伸试验时, 施加初始拉力T0 (=2 t) , 至海底光电复合缆基本拉直, 用钢卷尺在海底光电复合缆上做出30 m的两个标距, 保持15 min, 随后标记拉伸试验长度L0;逐渐增加拉力至10 t, 保持15 min、30 min、45 min, 分别记录标距长度L10、L′10、L″10;然后增加拉力至15 t, 15 min后记录标距长度L15;最后, 逐渐解除拉力至2 t, 15 min后记录试样长度L′0。分别计算每次的伸长率δ, δ=[ (拉伸后标距长度L-原始标距长度L0) /原始标距长度L0]×100%。拉伸试验完成后进行光纤性能的测试及电缆电性能试验。最后, 解剖海底光电复合缆, 观察各结构的破损情况。c.张力弯曲试验。从盘绕试验后的试样中取含有一套软接头的电缆约100 m进行张力弯曲试验。施加张力, 使海底光电复合缆试样上保持10.5～11.0 t的张力, 转动转盘, 使复合缆试样上的软接头在转盘上通过1/2的圆周, 顺时针、逆时针各转动一次为一个循环, 共进行五次循环。试验过程中, 监测光单元的任意一芯光纤的光性能变化并测试所有光纤的损耗, 并同盘绕前的数据对比。在上述每次试验后均解剖海底光电复合缆, 观察各结构的破损情况。
表2为本海底光电复合缆的性能要求及测试结果。测试结果表明, 成品海底光电复合缆的各项性能都达到合同规定要求, 并且光纤没有附加损耗, 这说明光纤在海底光电复合缆的制造过程中及制造后均未受机械应力的影响。
摘要：以YJQF41-26/35-3×120+2×12B1海底光电复合缆为例, 叙述了海底光电复合缆结构设计的要点, 指出了海底光电复合缆在制造过程中应注意的问题和一些关键参数。最后给出了该海底光电复合缆的性能要求及测试结果, 测试结果表明该海底光电复合缆的各项性能都达到了要求。
关键词：海底光电复合缆,电力绝缘线芯,光单元
参考文献
[1]王国忠.海底光电复合缆试制及机械性能试验[J].电线电缆, 2007 (2) :13-15.
光电复合 第2篇
（讨论稿）编制说明
一、工作简况
1.标准简况：
载流子复合寿命是半导体材料中一个重要参数。因为其与晶体中的缺陷和沾污的强相关性，采用载流子寿命测试，可以用来监控生产过程中的沾污水平，并研究造成半导体器件性能下降的原因。微波光电导衰减测试方法是众多载流子复合测试方法中的其中一种，其主要测试原理是激光注入产生电子-空穴对，导致样品电导率的增加，当撤去外界光注入时，电导率随时间指数衰减，这一趋势间接反映少数载流子的衰减趋势，利用微波信号的变化量与电导率的变化量成正比的原理，通过监测微波反射信号来探测电导率随时间变化的趋势，从而得到少数载流子的寿命。因为本方法是无接触的，对样片表面处理简单，尤其是太阳能产品，并且测试数据重复性好，被广泛应用，也是器件厂家衡量硅片产品质量的一个很重要依据。对该标准的修订，有利于进一步规范和指导其测试过程。
2.任务来源
根据国标委综合[2015]52号文件《关于下达2015年第二批国家标准修制定计划的通知》，由有研半导体材料有限公司主要负责的国家标准《硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》的修订工作。3.项目承担单位概况
有研半导体材料有限公司，原名有研半导体材料股份有限公司。是由北京有色金属研究总院（简称“有研总院”）作为独家发起人设立的股份有限公司，成立于1999年3月，并在上海证券交易所挂牌上市（股票简称“有研硅股”），主营半导体材料。2014年3月，有研总院决定将主营业务扩展为半导体材料、稀土材料、高纯/超高纯金属材料以、光电材料的研发、生产和销售，因此更名为有研新材料股份有限公司。2014年11月，根据有研总院的决定，硅材料板块的全部资产和业务从有研新材料股份有限公司中剥离到有研总院控股的有研半导体材料有限公司，继续继续硅材料的生产、研发和销售，至此更名为：有研半导体材料有限公司。
该公司的前身是有研总院下属的硅材料研究室，建国以来，一直致力于硅材料的研发、生产，并承担了“九五”、“十五”“十一五”期间国家硅材料领域多项重大攻关任务和产业化工程，并支撑和带动了国内相关配套产业和技术发展。现已形成具有一系列具有自主知识产权的技术体系和产品品牌，目前主要生产5-8英寸硅单晶及抛光片，并一直开展12英寸抛光片的研发和生产。产品可用于集成电路、分立器件、太阳能等多个领域，远销美国、日本、西班牙、韩国、台湾、香港等地，在国内外市场具有较高的知名度和影响力。4.主要工作过程
本项目在下达计划后，我们组织了专门的标准编制小组，进行了微波反射光电导设备、用户要求、相关标准应用的方面的调研和收集；在对SEMI MF1535-1015《电子级硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》充分理解的基础上，结合多年来国内外用户要求和生产实践，编写了本标准草案。5.标准主要修订人及修订工作
曹孜
教授级高工 标准的主要修订
孙燕
高工
协助标准的修订、审核，组织标准修订的各方面工作 赵而敬
工程师
协助标准的修订。
二、标准编制原则和确定标准主要内容的论据
1、编制原则
本标准起草单位自接受修订任务后，成立了标准编制组负责收集相关参考标准、市场需求及客户要求等信息，初步确定了该标准修订所遵循的基本原则和编制依据： 1）查阅相关标准和国内外客户的相关技术要求；
2）按照GB/T 1.1和有色加工产品标准和国家标准编写示例的要求进行格式和结构编写。3）参照SEMI MF1535-1015《电子级硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》的内容。
三、标准水平分析
本标准《电子级硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》建议为国际一般水平。
通过文献检索和网上查询，参考的国内外关于相关的标准主要有以下几个：
SEMI MF1535-1015《电子级硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》 SEMI PV9-0611《光伏级硅材料过剩载流子在短光照脉冲后衰减的无接触微波反射光电导衰减测量方法》
GB/T 1553 硅和锗体内少数载流子寿命测定 光电导衰减法
YS/T 679 非本征半导体少数载流子扩散长度的稳态表面光电压测试方法
四、与我国有关的现行法律、法规和相关强制性标准的关系 《电子级硅片载流子复合寿命的无接触微波反射光电导衰减测量方法》与国家现行法律、法规和相关强制性标准不存在相违背和抵触的地方。
五、重大分歧意见的处理经过和依据。
无
六、标准作为强制性标准或推荐性标准的建议
建议本标准作为推荐性国家标准发布实施。
七、代替或废止现行有关标准的建议
无
八、其他需要说明的事项
本标准的修订主要目的是进一步规范电子级硅片载流子复合寿命的微波反射光电导测试方法，有利于和国际先进标准接轨。对于太阳能级的产品，测试原理是相同的，可以借鉴此标准。但是对于太阳能级铸锭和单晶产品中，测试设备上是有差别的。如果参考此标准测试，建议切取成薄样品测试。
九、预期效果
随着本标准的制定和推广，在硅片的采购、生产和使用中，都会更进一步规范，将更加有利于供需双方对产品的确认和加工，减少表面处理方式不同，测试设备不一致和要求上的差异，避免带来质量上的问题，也将有利于硅片进出口贸易。
国家标准编制小组
露天矿用光电复合缆的开发 第3篇
近年来国内低智能装备化的老旧煤矿逐步淘汰,而新疆、内蒙古等地大储量露天煤矿的开发得到行业的重点支持,由此加快煤矿装备制造业技术创新与结构调整迫在眉睫。为了改变长期以来该领域不少装备及材料技术工艺水平不高,部分重大的煤矿装备(其中也包括部分电缆)仍不得不依靠国外进口的现状,本公司着力开发了露天矿用光电复合缆。
该露天矿用光电复合缆主要用于矿井上工作面或露天煤矿开采区大型机械化设备(大型盾构机、轨道式龙门式起重机、堆取料机、移动变压器和其他重型装卸设备)的连接,可承受高机械应力、耐扭转和耐曲挠疲劳,适用于额定电压35kV及以下电压等级,户外敷设,可在恶劣环境条件下(日晒雨淋、昼夜温差大、霜雪冰冻、紫外线、臭氧等)使用。
2 产品结构设计
为了提高露天矿用光电复合缆的使用寿命,以及整体柔软性和弯曲性,动力线芯(电单元)导体采用直径不大于0.41mm的镀锡铜丝绞合,并在绞合时层与层之间采用正反向绞合,每层绞距均较小(最外层绞距不大于8倍绞合直径,次外层绞距不大于10倍绞合直径,以此类推)。为了使露天矿用光电复合缆能承受较大的昼夜温差以及酷暑寒冬,电单元绝缘采用了高性能乙丙橡胶材料。该材料的耐温等级可达-40~90 ℃,且具有良好的电气性能和优异的机械物理性能。
为了有效避免露天矿用光电复合缆在使用过程的弯曲、扭转对光纤传输产生影响,光单元中光纤采用了弯曲损耗不敏感单模光纤(G.657A2光纤,其弯曲半径能达到7.5mm),且在同批产品中使用相同设计、材料、工艺制造出来的光纤;光单元的松套管采用了PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)或其他热塑性材料,光纤在松套管中有合适的余长并保持均匀稳定,在松套管内填充纤膏。 为了增加光单元的拉伸性能,光单元中采用了非金属中心加强件———芳纶纤维(其弹性模量应不低于90GPa),相同外径的松套管以适当节距层绞(螺旋绞或SZ绞)在中心加强件四周。光单元护套采用了自主研制的可快速硫化的特种氯丁橡胶护套材料,其以氯丁生胶320F为基料,同时配合防老剂、补强剂、填充材料、交联剂、硫化促进剂等各种助剂,通过合适的加工工艺制得。 该材料具有优异的机械物理性能、耐紫外线、抗臭氧、耐低温、耐湿热、耐磨、耐老化等性能,可满足露天矿用光电复合缆要求的耐温等级-40~80 ℃,能承受昼夜温差的变化,同时也能够在酷暑的夏天和严寒的冬天使用,确保了复合缆在恶劣的工作环境下使用寿命不下降。在光单元护套挤出加工过程中应注意保证光纤性能的稳定。
为了提高露天矿用光电复合缆的整体弯曲性能和降低均匀弯曲时的内应力,复合缆缆芯成缆绞合时的节径比应不大于9。为使各动力线芯屏蔽间能进行充分接触,以利于各线芯泄漏电流的排出,缆芯绞合时三根动力线芯中间采用半导电材料填充。为保证光纤的传输性能稳定,缆芯绞合时光单元应采用主动放线。为了提高整个露天矿用光电复合缆的抗张强度,消除或减小复合缆在扭转时的内应力,提高电缆的使用寿命,在复合缆的内护套与外护套间设计了一层高强度涤纶丝编织加强层,但这也给内护套和外护套硫化程度一致性的控制增加了难度。由于内护套硫化挤出后,需进行加强层编织,再进行外护套的硫化挤出(这相当于内护套又进行一次硫化),因此为了避免内护套的过硫化,造成内、外护套产生分层,使护套整体机械性能大大降低,内护套挤出时一定要欠硫挤出,待硫化挤出外护套时就可以使内护套材料刚好达到的正硫化点。此外,内护套欠硫时并没有完全达到热固状态,这可使内、外护套和编织加强层紧密粘连。为了保证露天矿用光电复合缆的阻燃性能,使之达到MT 386标准所规定的单根垂直燃烧、成束燃烧及负载燃烧试验的各项要求,复合缆的填充、包带和内护套均采用高阻燃材料。外护套同样采用了自主研制的可快速硫化的特种氯丁橡胶护套材料。最终设计的露天矿用光电复合缆结构如图1所示。
光电复合 第4篇
海底电(光电复合)缆主要应用于海底或水底,除了本身要承担电和光的传输外,还必须具有防水、防腐、防蚀、抗拉、抗压等特性。无论是设计和制造,还是运输和施工,海底电(光电复合)缆的难度和复杂度均远高于其它电缆产品,因此海底电(光电复合)缆工程被世界各国公认为是一项难度较高、复杂度较大的工程。
目前110kV及以下交联聚乙烯(XLPE)海底电(光电复合)缆在我国已有较多应用,特别是在国家电网舟山电力局、南方电网及中海油公司等的相关工程中。220kV及220kV以上的海底电(光电复合)缆到目前为止全世界大约有30个项目采用,其绝缘形式包括充油绝缘、纸绝缘及XLPE绝缘等,输电方式包括交流和直流。我国目前只有海南海底电缆联网工程中有此应用先例,绝缘形式是充油绝缘不是XLPE绝缘,而舟山某工程中将采用宁波东方集团220kV XLPE缘海底电(光电复合)缆。可见,在我国220kV XLPE绝缘海底电(光电复合)缆的制造、设计、施工各环节还需进一步提高,其结构的理论研究还待由实际工程(如海上风电项目中)进行验证。
1 结构剖析
220kV XLPE绝缘海底电(光电复合)缆的各种典型结构如1图所示。由图可见,该类缆结构由内向外分别为导体层、内外屏蔽及绝缘层、阻水缓冲层、金属屏蔽层、内护套层(复合光缆层)、铠装层、外护套层。
在导体层结构设计和选材时,通常按照220kV陆上电缆中对导体铜材料的要求进行铜导体选择,但由于220kV海底电(光电复合)缆用于海底或水底,故导体还需要满足纵向阻水要求,以确保缆在水底被外力损伤(常见是被轮船的锚钩断)后,在一定时间内水进入导体层一定距离后被阻断不再向内延伸。对于紧压绞合导体,需要在绞合的缝隙中填入阻水材料,目前采用的主要材料有阻水带、阻水绳、阻水粉及阻水化合物等。
在内外屏蔽及绝缘层结构设计和选材时的要求也大致与220kV陆上电缆相同,内屏蔽一般由绕包半导电带和挤包半导电材料组成,绝缘采用220kV XLPE,外屏蔽主要是挤包半导电材料。相对于陆上电缆,220kV海底电(光电复合)缆的制造长度较长,这对于三层共挤设备长时间的连续工作提出了较高要求。
阻水缓冲层介于金属屏蔽和绝缘外屏蔽之间,因此在结构设计和选材时要求其有纵向阻水性能,且具有缓冲作用,以解决因绝缘热胀而形成的压力,此外为了保持金属套和外屏蔽之间电气的连续性,还要求此层材料有一定的导电性。综合上述要求,目前此层主要采用的是半导电阻水带(即膨胀带)。
有光通信要求时,应在220kV XLPE绝缘海底电缆(单芯缆)中增加光缆层(即光纤单元)。光缆层一般由聚乙烯(PE)圆填充条、光纤及加强单元组成。
在结构设计和选材时要求金属屏蔽(护套)层既起到径向阻水的作用,又要承担线路的短路电流,因此此层必须具有良好的阻水性能,较好防腐蚀性能和较好的导电性能,且应采用非磁性材料。目前此层普遍采用铅合金材料。
由于海底电(光电复合)缆的长度较长,且无法如陆上电缆那样进行交叉互联接地等,以消除金属屏蔽层的感应电势,因此目前内护套层在结构设计和选材时较普遍采用半导电PE材料,以达到消除金属屏蔽层感应电势的目的,同时此层也必须对金属屏蔽层起到保护作用。
由于220kV海底电(光电复合)缆以单芯为主,且运行电压较高,因此在铠装层的结构设计和选材时必须对铠装的方式和材料进行综合考虑。目前220kV XLPE绝缘海底电(光电复合)缆中采用的铠装方式和材料较多,铠装方式有单层铠装和双层铠装,铠装材料有镀锌圆钢丝、镀锌扁钢丝、扁青铜丝、圆青铜丝、无磁不锈钢丝、无磁合金丝等。其中镀锌圆钢丝、镀锌扁钢丝均为磁性材料,在此类等级海缆的运行中会产生很大的涡流损耗,对电缆的载流量影响较为严重,同时也严重影响到线路的损耗,建议尽量谨慎使用。
对于某些较为复杂的海底环境,有些项目需要有防微生物层的特别设计,目前此层主要采用黄铜带。内垫层主要起到缓冲及垫层的作用,目前此层主要采用聚丙烯(PP)绳+沥青。外被层一方面对铠装层起到保护作用,另一方面也可以对铠装起到包裹作用,目前此层主要采用PP绳+沥青。
2 市场展望
光电复合 第5篇
2 0 1 0年8月,福建省平潭电网1 1 0 k V二回电力跨海联网通道启动送电,这条海缆是国家电网公司首次在110 k V海缆上采用国产化光电复合技术复合通信光纤,在输送电能的同时,作为电力通信通道传输调度自动化等电网实时运行信息[1]。
平潭电网110 k V海缆横穿繁忙的海上运输航道,船舶落锚拖拽等对海缆运行的影响日益严重,2007年9月曾发生平潭电网与大陆联网的唯一110 k V海缆被船锚钩断,造成平潭县大面积停电近1个月的事故。近年来,全国海缆受船锚拖拽中断事故更是屡见不鲜、防不胜防。因此,对海缆的运行状况进行实时在线监测,保障跨海电网海底通道安全畅通意义重大。
1 海缆监测技术和方案
光纤是一种集通信与传感于一身的特殊材质。平潭110 k V光电复合海缆跨海长度约3.5 km,在A,B,C三相各复合有光纤16芯,共有48芯光纤。而跨海电力通信联网实际使用光纤不多,大量的冗余纤芯可综合利用作为监测海缆的传感元器件,为海缆科学研究和在线监测系统提供不可多得的天然传感元器件和信息载体,节约铺设专用传感光纤大量投资成本。
1.1 国内外光纤监测研究水平现状
目前,分布式光纤传感技术主要有4种:(1)基于布里渊散射的分布式光纤传感技术;(2)基于拉曼散射的分布式光纤传感技术;(3)基于瑞利散射的分布式光纤传感技术;(4)基于光纤光栅的准分布式温度和应变传感技术。基于瑞利散射和拉曼散射的分布式传感技术研究比较成熟且已经实用化,基于瑞利散射的分布式传感技术可以监测光纤损耗和断点,基于拉曼散射的分布式传感技术可以监测光纤的温度分布和断点;基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚,但是由于它可实现温度和应变的同时测量,可以达到高于其他传感技术的测量精度、测量范围及空间分辨率[2],因此它是长距离分布式光纤传感器中最具发展前景的一种,目前已得到广泛关注与研究。
国内外对布里渊分布式光纤传感器的研究主要集中在3个方面:基于测量光纤传输函数的一种传感方法的布里渊光频域分析仪(Brillouin Optical Frequency Domain Analyzer,BOFDA)、利用受激布里渊散射现象实现测量的传感方法的布里渊光时域分析仪(Brillouin Optical Time Domain Analyzer,BOTDA)、基于单一脉冲的自发布里渊散射获取外界环境因素信息的传感方法的布里渊光时域反射仪(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer,BOTDR)[3]。BOFDA系统复杂,且对被测光纤所处环境要求过高;BOTDA采用2个相向传输的光束来增强布里渊散射,要求更多的光学部件和双向光路,造成系统复杂及成本较高,而且不能定位光纤断点;而BOTDR技术只需单端入射、结构简单,从而在实际应用中更方便,并可同时测量光纤的温度和应变分布,实现光纤损耗和断点定位,国内外对此研究投入较多。
1.2 海缆光纤监测系统技术线路
福建平潭110 k V海缆立体监测系统利用复合的G.652通信单模光纤,设计基于BOTDR、船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)和视频监测组成的海缆立体监测系统。通过理论和实验的方法研究海缆温度和应变与光纤布里渊散射强度和频移的作用规律,获取海缆正常工作状态和故障状态下的温度与应变数据,构建应变和温度监测子系统,为海缆故障判别提供依据;将AIS与BOTDR海缆监测系统组网互动,信息融合,结合视频监测,组成肇事船只确认子系统,实现事故定位以及肇事船只确认功能;探讨采用海洋磁力计对断缆位置进行水下定位的海缆断点故障定位子系统,缩短事故抢修时间;研发立体监测综合管理系统与电力在线监测管理控制中心接口的软硬件系统,实现海缆监测系统与福建电力输变电在线监测诊断系统(GPMS-OMDS)的双向数据传输,实现对平潭电网110 k V海缆远程立体在线监测管理的功能。监测系统功能如图1所示。
2 温度和应变监测子系统
2.1 BOTDR温度与应变测量原理
目前,国内对陆地高压电缆的表面温度采用基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术进行监测[4,5],不能实现对电缆受力和应变情况的监测,因此不能用来对海底特殊环境下的敷设在淤泥质海床上的高压动力电缆的运行状况进行实时在线监测。所以,基于布里渊散射的分布式光纤温度和应变传感技术,成为海底高压电缆运行状况实时监测的理想选择和必然发展方向。
光电复合海缆的温度和形变必然引起电缆中复合光纤的温度和应变变化,而光纤的温度和应变分布信息可通过光纤布里渊散射信号的强度和频移信号获得。实际应用中,一般采用BOTDR来实现。BOTDR技术是国际上新兴的分布式测量技术,其原理如图2所示。首先由脉冲激光器发送一定功率和频率的光脉冲,脉宽和周期根据具体情况选择。光脉冲通过Y型耦合器后注入被测光纤,后向布里渊散射光通过Y型耦合器输入到接收组件[6],经过信号处理,取出布里渊散射频移νB。根据此频移量和后向散射光的功率可计算出光纤沿线上的温度和应变信息[7]。
2.2 温度和应变监测子系统
BOTDR作为海缆温度和应变监测系统核心仪器,与视频监测装置、AIS及相关网络传输设备进行集成,实现对海缆运行状态的在线监测。BOTDR监测距离指标大于20 km,现实际监测距离约为4.5 km,确保满足监测应变精度、空间分辨率和测量速度等关键指标。
由于110 k V光电复合海缆A,B,C三相在海底以60 m间距分开敷设,所以至少需要3路光纤同时监测三相海缆。当海缆本体某处的绝缘、屏蔽、阻水等性能变坏及发热超限后,则在该点测得的光纤温度和应变就会出现明显异常,从而通过功率–距离曲线可方便地定位故障隐患或故障点;当海缆受抛锚、船只拖拽时,对应的复合光纤在某点出现应力变化甚至发生断裂事故,则在应力变化或断裂点会发生菲涅耳反射现象,通常这一反射比其他散射要强得多[8]。因此,在反射功率–时间曲线或功率–距离曲线上可以方便地确定光纤应力突变的故障点,并发出相应的越限告警信息。并与视频监测装置及AIS组成的肇事船只确认子系统联动,识别并保存肇事船只相关信息。通过对运行期间BOTDR数据进行分析,结合海缆施工资料,建立了海缆光纤长度与“经纬度–深度”三维信息数据库。常态下海缆应变实时在线监测情况如图3所示。
3 肇事船只确认子系统
肇事船只确认子系统由AIS和枪式摄像机、长焦大镜头、远距离红外夜视仪等视频设备组成,并与BOTDR联动,在海缆受船锚拖拽位移达到设置门限时,提前实现事故预警、事故定位以及肇事船只确认功能,为海缆船舶外破中断事故的理赔提供证据。
3.1 船舶自动识别系统
AIS是海事部门对300 t以上船舶强制要求安装的自动识别系统,其主要功能有:(1)接收船舶信息,确定船号、船位、航速、航向和UTC时间等信息;(2)对接收的数据进行过滤处理,去除冗余数据,保存监测区域内的船舶信息;(3)在监控中心实时显示船舶的位置、状态等信息。
根据航速和预警时间计算,将AIS系统接收范围定为110 k V海缆禁锚区两侧各延伸2.5 km的海域附近区域,接收海域内过往船舶的位置、航速等信息,实现船舶抛锚、停航等海缆故障隐患的预警监测。当发生船锚拖拽等故障时,可以保证在工作人员接收到来自BOTDR的报警时,肇事船只仍处于监控区域,AIS系统可以对该船进行锁定跟踪。
海缆禁锚海域船舶运行轨迹及船舶号、通过时间、方向、速度和经纬度等相关信息如图4所示。
3.2 视频监控系统
视频监控系统用于监视海缆附近区域的过往船舶,预警船舶的停航和抛锚趋势;当出现船锚拖挂海缆或断缆事故时,与BOTDR的告警信息及AIS信息相结合,通过场景回放确认肇事船只。
由于视频监测跨越海坛海峡约3.8 km,监控的范围大,图像分辨率要求高,常规视频设备很难实现对整个监视海域的无缝覆盖,所以需要在客户端通过软件来控制各摄像机云台的转动、镜头焦距及光圈的变化,从而最大限度消除监视盲区,实现对海缆周边海域的有效监视,获得满意的视频效果。
为了确保较为清晰地监测到广阔海域来往船舶的动态信息,对视频光学设备配置提出了很高要求。本系统夜间拍摄用的连续变焦红外热成像仪,采用热成像连续变焦技术,能够大范围搜索和识别远处目标。最小温度分辨率达50 m K。能够穿透灰尘、烟雾、雨雪和黑暗,可满足全天候对3.8 km海面的监视要求。红外热成像仪视频效果如图5所示。枪式摄像机在静止状态下即可实现对距镜头500 m以外Ⅰ、Ⅱ回海缆海域的全部覆盖,实现白天对3.8 km海面的实时监视,提供彩色画面。在可见光智能高速球的基础上加了红外灯,白天直接用可见光摄像,为彩色图像;夜间和大雾等能见度低的情况下,自动打开红外灯为摄像机补光进行摄像,从而满足全天候监视的要求。视频监测设备其他光学性能与同类设备类似,在此不作介绍。
视频控制软件通过与海缆监测系统中的BOTDR和AIS系统互联,3个子系统间数据有效融合,并协调工作,在海缆出现异常告警时,同步启动视频移动告警功能,在设定区域监视图像移动时,视频服务器根据设定的动作进行告警处理。比如联动抓拍图片、联动探头输出,并把该报警发送到视频监控计算机以及同时进行录像等。上述肇事船只综合信息的提取也为事后理赔工作提供了有力证据。
4 故障定位及管理系统子系统
4.1 海缆断点故障定位子系统
本子系统包括某公司生产的海洋磁力仪及附带软件、差分GPS SPS351、导航软件等。磁力仪拖鱼通过主连接头和拖缆与信号接收器相连,再经串口将磁场数据发送至磁力仪附带软件中。差分GPS通过天线接收GPS信息,进行磁力仪定位。
当大型船舶锚挂拖拽使海底电缆发生断裂时,可先由AIS记录的船舶历史航迹判断海底电缆断点大致位置。另外,光电复合海缆复合有光纤,当海缆发生断裂时,可由BOTDR或OTDR初步确定海缆断点的理论位置。由于AIS记录误差、海缆受船锚拖拉移位较大等原因,只能初步确定海缆断点的大致位置。具体可通过相对独立海洋磁力仪,配合搜寻海缆故障点,及时定位在海潮往返推动下海缆断点在水下的相对位置,缩短海缆故排查及抢修时间。
4.2 监测管理系统与网络通信
海缆监测管理系统将在BOTDR、AIS和视频监控系统组成的海缆监测网络的基础上,以基于B/S模式的.NET技术为集成开发平台,在监测系统硬件设备的基础上,按照成熟的数据管理模式,建立一个完善的海缆实时立体监测管理系统。
安装在平潭海缆登陆点附近的监测设备及网络系统,分别通过福建电力IP数据通信网和平潭电网SDH光传输网络的2个不同路由通信通道,接入到福建电力输变电设备在线监测诊断中心系统,实现集中监控管理。海缆维护管理单位相关部门人员通过一定的权限,登录本地网络远程查看海缆运行情况及海面航道的实时状态,为确保平潭电网跨海联网海缆安全可靠运行,提供有力的技术支撑。
5 结语
福建平潭110 k V光电复合海缆立体在线监测系统利用富余光纤资源进行研发,涉及光纤传感、视频监控、海洋船舶识别、深海探测、计算机网络和通信传输通道组织等多学科技术的综合系统工程。从海底光电复合电缆本体实时状态在线监测到对宽阔海面航道上可能肇事船只提前预警确认;从海缆运行异常情况分析判断到海缆断头深水探测定位打捞的全方位、全天候、多层面的立体在线监测监控。系统综合性强,实用化效果显著,对光电复合海缆安全、稳定运行具有极其重要的意义,在福建省多海岛环境和全国其他岛屿与大陆电网及岛际间电网的海缆、海上风电场、石油平台等海缆监测领域具有广阔的推广应用前景。
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光电复合 第6篇
关键词：潜水器,光电复合缆,恒张力,绞车,牵引
0 引言
潜水器是一种在水下环境中进行各种作业的特种机器人。有缆遥控潜水器在水下航行或执行任务期间离不开收放系统的支持[1], 绞车要随时进行光电复合缆的收放, 既要保证潜水器不会因收放系统拖拉而影响作业, 也不能使放出的缆过于松弛而与潜水器或水中杂物缠绕, 导致昂贵的光电复合缆损伤的情况发生。特别是在潜水器与母船同步航行作业时, 由于水流的作用光电复合缆受到的阻力较大, 需要较大恒张力控制, 以保证潜水器的稳定运行作业, 因此如果仍采用常用的单收卷缆盘绞车 (无牵引装置) , 则缆盘上各层光电复合缆的张力将随着母船航速、缆长度、海况等条件的变化而变化[2], 通常是内层缆松外层缆紧, 当外层缆张力较大时, 易勒伤内层缆, 造成不可挽回的损失。针对上述有缆潜水器收放技术的特点, 为满足有缆潜水器作业要求, 本文设计了一种具有张力可控、低张力收卷、能够提供大牵引力的新型光电复合缆恒张力收放绞车, 其具有较为现实的意义。
1 恒张力绞车结构设计
本文设计的新型光电复合缆恒张力绞车的结构如图1所示, 其主要由牵引装置、收卷装置、排缆装置、张力检测装置等组成, 各部分均由伺服系统驱动。在对绞车系统进行张力设定后, 绞车系统通过张力控制系统自主收放光电复合缆, 张力检测装置实时检测光电复合缆在线张力, 确保光电复合缆的张力始终保持在设定张力范围内, 使整个绞车系统保持在恒张力情况下工作, 且完全受控于潜水器。
1.1 牵引装置
在该新型光电复合缆恒张力绞车中, 牵引装置是牵引光电复合缆的主要部件。为了实现大牵引力收放潜水器载体, 并使牵引装置与收卷缆盘之间的缆呈小张力状态, 绞车的牵引装置采用了双牵引轮 (主牵引轮+分线轮) 同步同向转动的方式。
主牵引轮由交流伺服制动减速电机驱动提供所需牵引力。为了提高牵引装置与缆的摩擦力, 使其具有足够的牵引力, 采用了增大光电复合缆与牵引轮包角的办法, 即在两个牵引轮外径表面开有多个环形槽, 经过多圈缠绕后, 包角可增大数倍, 其中分线轮 (被动分线牵引轮) 比主牵引轮多出一组轮槽, 起到导向分线作用。此外, 牵引装置还可以根据实际情况计算所需牵引力确定轮槽的数量, 同时将牵引轮环形槽加工成与缆径相同的内弧度, 增大缆与轮槽的接触面, 提高缆与牵引轮槽的摩擦因数, 以提高牵引装置与缆的摩擦力。
1.2 收卷装置
收卷缆盘用于缠绕存储光电复合缆, 由伺服驱动系统、框架、缆盘、光电滑环等组成, 通过伺服系统驱动缆盘旋转实现光电复合缆的收放。缆盘伺服驱动系统采用力矩限制, 速度跟踪牵引装置的控制模式。收卷缆盘始终跟踪牵引装置线速度, 防止牵引装置与收卷缆盘之间光电复合缆出现松弛的现象。收卷缆盘可以设定较小收卷张力, 使缆盘始终以较低的张力收回或放出光电复合缆, 潜水器光电信号通过光电滑环进行传输。光电滑环安装在缆盘卷筒内部, 这样可结构紧凑并对滑环有一定的保护作用。
1.3 排缆装置
排缆装置由导向轮、伺服驱动系统、传动丝杆螺母机构、导向光杠、限位开关等组成。排缆时伺服系统通过跟踪缆盘的转动, 动力驱动梯形螺纹丝杆转动, 保证缆盘转动一圈, 排缆装置移动一根缆绳的距离, 实现缆绳在缆盘上的有序移动, 从而实现排缆功能。同时采用电子凸轮的控制方式, 通过精确计算使排缆单元位置点与缆盘位置点一一对应, 使排缆单元精确地按设定节距排缆, 并可自动计算缆盘两侧极限位置, 进行自动换向功能, 提高排缆稳定性和可靠性。排缆装置的伺服电机采用绝对值编码器, 能实时检测并记录排线机构的位置, 防止因断电而引起下一次排缆位置不能确定的现象出现。
1.4 张力检测装置
张力检测装置采用三轮组张力检测方式, 该机构由三个导轮组成, 前后两个导轮为导向轮, 中间导轮为测力轮。三个导轮位置固定后, 光电复合缆在测力轮上形成的夹角为一固定值。测力轮安装在张力传感器上, 光电复合缆张紧后将压在测力轮上 (如图2所示) , 传感器可测得光电复合缆在导轮垂直方向的分力T, 再根据光电复合缆在测力轮上形成的夹角α计算出光电复合缆的实际张力F, 相关计算公式为:
对于计算获得缆绳张力值, 在实际运行中可通过砝码进行校验和校正, 确保所测缆绳张力的准确性。
2 恒张力绞车控制系统的设计
该新型光电复合缆恒张力绞车的控制系统是以可编程逻辑控制器 (PLC) 为核心, 控制系统的运行。运行信号的发出及系统需要的各种信号的采集, 以及各种运算均由PLC实现。系统采用贝加莱 (B&R) 系列的宽温PLC, 并配上永久记忆数据的可擦写可编程只读存储器 (EPROM) 的内存卡, 将数据保存在内存卡上, 即使较长时间不使用该电控系统, 原有的数据也不会丢失。触摸屏通过通信线与PLC通信, 把设置的各种参数传到PLC, 并实时显示工作时光电复合缆的动态张力及放缆的长度。
绞车张力控制单元采用张力闭环控制方式, 实时对光电复合缆张力进行恒张力控制, 使缆的张力保持在设定范围之内。在设备运行过程中, 张力检测单元实时与牵引张力给定值进行比较。当缆绳张力小于或大于设定张力范围, PLC根据比例、积分、微分 (PID) 控制算法减小或增加牵引输出力矩, 然后再进行比较, 反复调整之后最终使缆绳张力保持在设定范围之内。收卷缆盘始终按设定力矩对缆绳进行收放动作, 保证缆绳以恒定的张力卷绕在卷筒上。
绞车各部件的驱动单元均采用伦茨ECS伺服系统产品, ECS系统的标准配置有两个控制器局域网 (CAN) 总线接口, 用于总线进行设定值选择和实际反馈值的采集。该ECS伺服系统具有动态性能高、漏电流小、电磁兼容性好等特点, 其由中央供电模块与可插拔轴模块组成, 结构紧凑, 使连接电缆的使用最小化。采用的轴模块具有200%～300%的过载能力, 可以通过直流母线的连接进行动态能量交换;中央供电模块具有主回路和直流母线的监视功能, 不需要使用直流母线熔断器, 并且能够有效地扼制干扰。
3 恒张力绞车软件设计
3.1 软件编程流程设计
该新型光电复合缆恒张力绞车采用了贝加莱公司的Automation Studio, 该编程环境支持多语言编程, 以及大量诊断工具, 并且可以在同一个用户界面中处理贝加莱控制系统和人机界面的操作控制。我们采用贝加莱的Automation Studio语言, 能够实现程序中需要的算术、判断、循环、功能块等功能。贝加莱PLC, 即基于定性实时多任务操作系统的PCC (可编程计算机控制器) 管理主程序 (任务) 模块的流程如图4所示, 其中pidtest和PID运算底层 (piduse) 主要处理牵引、收线之间的PID调节;系统控制逻辑和算法 (sysctrl) 主要处理卷径计算、运动控制的模式选择以及力矩、张力、速度等的配置;配置终端的通信驱动模块 (config) 主要处理数据等的存储;I/O映像模块 (ioimage) 主要处理模块上变量间赋值和底层文件之间的赋值;伦茨伺服CAN驱动模块 (lzcan93s) 、ecs＿init、ECS伺服运动驱动 (lzecsapp) 主要处理伦茨ECS驱动器的配置;PCC与上位机RS422通信 (com422) 主要处理422通信。
3.2 通信协议
伦茨ECS系统与贝加莱PLC组成CAN网络, 该CAN采用全数字网络技术, 确保了数据传输的安全准确, 避免模拟信号给定精度较低、易受到外界环境干扰等缺点。当ECS系统与贝加莱PLC进行CAN网络通信时, 可根据对方提供的CAN网络通信协议, 采用贝加莱独有的自由通信软件包 (frame driver) , 按照通信对象、数据格式、传输速率, 编制通信协议, 以实现相互连接, 双向交换数据。为了防止相互间的通信干扰, 系统不仅增加了独立的RS422/RS485通信模块, 而且触摸屏与PLC之间的通信也由RS232改为带有隔离的RS422/RS485接口进行通信, 使设备更加可靠, 通信距离更长, 操作更加简单。RS422通信模式为9600、E、8、1模式, 触摸屏与PLC RS422通信程序之间采用Modbus协议进行读写操作。
4 结束语
光电复合缆恒张力收放技术是保证潜水器安全作业和光电复合缆安全运行的一项关键技术。潜水器在水下作业情况复杂多变, 而光电复合缆是母船与潜航器之间通信及控制的唯一通道, 保证光电复合缆张力始终受控是保障潜航器在水下安全作业的必要前提。本文设计的新型光电复合缆恒张力绞车, 解决了单卷筒绞车因光电复合缆张力变化引起的一系列的安全问题, 为以后类似系统的设计提供了一定的借鉴意义。
参考文献
[1]杨文林, 张竺英, 张艾群.水下机器人主动升沉补偿系统研究[J].海洋工程, 2007, 25 (3) :68-72.
光电复合 第7篇
采用无水Sn Cl2与硝酸作为原料,采用电化学法一步制备出Sn O2/GO复合薄膜。首先配置Sn Cl2浓度为20m M,HNO3浓度为75m M的电解液,在85度下水浴热处理2小时以充分氧化Sn2+为Sn4+。之后在55度下采用阴极还原恒电位为-0.8V下沉积30分钟制备得到ITO上的Sn O2薄膜。在上述电解液中加入氧化石墨6m M,CTAB7.2m M(阳离子表面活性剂,维持电解液稳定),同样条件沉积制备得到Sn O2/GO复合薄膜。
2 数据分析
2.1 XRD分析
复合薄膜以及纯Sn O2薄膜的XRD均有Sn O2的相,通过粒径计算大约为4nm。
2.2 SEM分析
以上是Sn O2与GO复合后的SEM图,与GO复合可以看出,Sn O2颗粒分散在GO片上。
2.3 XPS分析
由上图可知,GO中C-O键百分含量为16.92%,C=O键含量为9.74%,说明GO在电化学的过程中还原程度很强。原因一方面电化学过程本身会还原,另一方面因为电解液中二价锡的存在,会使氧化石墨进一步还原。
2.4 可见光电流分析
上图可知,Sn O2在可见光下光电流为27u A,而与GO复合后光电流为45.5u A,增加了68.5%。说明氧化石墨对于促进Sn O2光电流的吸收起到很大的促进作用。
3 结语
采用高温下阴极电化学沉积的方法可以制备得到纯的Sn O2,与氧化石墨共沉积复合后,复合薄膜的结晶性变好,而且复合薄膜的光电流比纯相增大了68.5%。因此,GO的加入,一方面由于其氧化性使得复合薄膜的结晶性变好;另一方面,作为碳基材料,增加了复合薄膜的导电性,从而增加了复合薄膜的光电性能。
参考文献
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光电复合 第8篇
石墨烯是2004年被发现的一种新型碳材料[11,12],是一种具有独特的电子迁移能力[2×105cm2/(V·s)]、超大的比表面积(2.630m2/g)及优良的化学稳定性等特点[13,14,15]的二维碳原子晶体。因此,将TiO2与石墨烯制成复合材料,有可能可 以利用石墨烯独特的电子迁移能力,提高TiO2的量子效率、拓展TiO2光吸收波长范围,达到在可见光的条件下具有较好的催化能力。目前,基于氧化石墨烯及石墨烯的TiO2复合材料的光催化研究已引起了科学界的兴趣[16,17,18,19]。然而,基于石墨 烯的TiO2复合材料在可见光下的催化活性还有待提高;制备的反应途径对复 合材料各 方面性质 的影响仍 需要深入 的研究;将复合材料制成工作电极,利用石墨烯的优良 物理性能, 通过给电极施加一个电极电位[20,21,22],及时转移半导体光生电 子,从而到达提高复合材料催化活性,光电催化降解有机污染物等方面研究工作还尚未深入开展。
本研究采用氧化石墨烯和Ti(SO4)2作为初始反应物,利用Ti(SO4)2水解成核生长纳米TiO2颗粒,通过两种不同的反应途径制得两种复合材料,并通过各种测试手段对复合材料进行表征,研究了反应路径对复合材料各方面性质的影响。 在可见光照射下,将复合材料制作成工作电极,与铂电极、饱和甘汞电极构成三电极光电催化体系。通过光电催化降解含偶氮化学健的有机染料酸性红B(ARB),对复合材 料的催化 性能进行研究。
1实验部分
1.1复合材料TiO2-GR的制备路径一
取15g Ti(SO4)2加入到500mL 1.25mol/L的稀硫酸中, 溶解得Ti(SO4)2溶液备用。 将200mL Ti(SO4)2溶液在80℃水浴中预热30min,再加入经NaOH溶液剥离 的氧化石 墨烯水溶液(干质约1g),搅拌反应4h后,趁热抽滤,去离子水洗至滤液中无SO24离子,制得TiO2/氧化石墨 烯复合材 料 (TiO2-GO)。取约1g TiO2-GO(未干燥)加入100mL去离子水,搅拌均匀后再加入2mL水合肼(80%),在90℃ 下水浴回 流反应24h。反应结束后用去离子 水洗涤过 滤,在50℃ 以下干燥,得到复合材料TiO2/石墨烯复合材料(TiO2-GR1)。
1.2复合材料TiO2-GR的制备路径二
取一定量的氧化石墨烯水溶液,加入水合肼,在90℃下水浴回流搅拌反应24h,再用去离子水洗涤至滤液呈中性,得到石墨烯。得到的石墨烯加入50%乙醇,经过超声1h后备用。 将200mL Ti(SO4)2溶液在80℃水浴中预热30min,再加入将经NaOH溶液剥离的200mL GR水溶液(干质约1g),搅拌反应4h。反应结束后,趁热抽滤,去离子水洗至滤液中无SO24离子,在50℃以下干燥,得到TiO2/石墨烯复合材料(TiO2-GR2)。
1.3复合材料工作电极的制作
裁剪矩形形状的泡沫镍小片,称量其质 量。再将适量 的复合材料均匀涂覆在泡沫镍片表面,压片机直接冷压,工作压力为10MPa,50℃以下干燥,制得工作电极。称量电极质量, 计算电极活性物质的质量。用于电化学性能测试的,将电极浸泡在6mol/L的KOH溶液中12h待测。
1.4复合材料的表征
样品的晶相结构测定:粉末X射线衍射 仪(XRD,Bruker D8Advance);微观形貌和结构测定:场发射扫描电 子显微镜 (FE-SEM,Tecnai G2F20型)、FEI(Tecnai G20型),美国FEI公司,及高分辨 透射电子 显微镜 (HR-TEM);热性能测 定: STA449CJupiter同步热分析仪分 析;电化学性 能测试:输力强电化学测试系统(solartron 1287+1260);比表面积 及孔径测定:全自动快速比表面积及孔径分析仪(ASAP2020系列), 美国麦克仪器公司。
1.5催化性能研究
以500mL ARB(100mg/L)作为目标降解物,在可见光(碘钨灯,500W,λ>420nm)照射下,以复合材料为工作电极,铂电极为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,构成三电极光电催化体系进行光电催化降解反应。反应在搅拌中进行,施加的外 加电极电位为+0.05V,溶液pH值为5.0,温度25℃。反应每隔30min取样1次进行测试。利用722型分光光 度计(上海光学仪器厂),在ARB最大吸收波长(515nm)处测定试样的吸光度。以ARB的降解率η来表征复合材料的催化性能,计算方式为η=(C0-Ct)/C0=(A0-At)/A0×100%,Ct和C0分别为ARB在t时刻的浓 度和初始 浓度,At和A0分别为ARB在t时刻的吸光度和初始吸光度。
2结果与讨论
2.1XRD分析
图1是氧化石墨烯及TiO2-GR1、TiO2-GR2两种复合材 料的XRD谱图。从TiO2-GR1、TiO2-GR2两种复合 材料的XRD谱图可以看到,两种复合材料的氧化石墨烯特征衍射峰都已基本消失,这说明了其已彻底被还原为石墨 烯。从图中衍射峰看两种复合材料的晶型,方块所标记的衍射峰分别对 应于锐钛矿型的(101)等晶面衍射峰,圆圈所标记的衍射峰则分别对应于金红石型的(110)等晶面的衍射峰。TiO2-GR1为纯度较高的锐钛矿型,其锐钛矿型的(101)等晶面衍射峰均清晰可见,而金红石 型的衍射 峰仅 (110)晶面能微 弱的显现。 TiO2-GR2为锐钛矿型和金红石型的混晶,锐钛矿为 主晶相。 其锐钛矿型和金红石型主要的晶面衍射峰均较为清晰可见。 产生这种差异可能是,相对于石墨烯,氧化石墨烯表面存在大量的含氧集团[23,24],对[TiO]2+基团的成核生长的晶粒晶型产生了影响,使其生成纯度较高的锐钛矿型TiO2晶粒。
XRD测试结果说明了不同的反应途径对生长TiO2颗粒的晶型有较大影响。采用复合材料的(101)晶面衍射 峰的数据,根据谢乐公式计算出两种复合材料中TiO2的平均粒径均大约为10nm。
2.2 FE-SEM分析
图2分别是TiO2-GR1、TiO2-GR2的FE-SEM图。从图中可观察到2种复合材料的石墨烯小片上均布满了纳米TiO2颗粒,颗粒分布较为均匀,平均粒径大致相同,约为10nm。这些纳米颗粒有的在石墨烯表面上集聚,形成较大的颗粒,粒径大约为20~100nm。集聚的原因可能是由于[TiO]2+基团水解过快或浓度较高造成的。而对比图中2种复合材料的石墨烯形态可以发 现,TiO2-GR2中的石墨 烯呈大面 积层状,而TiO2-GR1中的石墨烯面积小,呈碎片状。这可能是在剥离的过程中,相对于石墨烯,氧化石墨烯的极性含氧基团更具有亲水性质,层间距更大,Na的水化分子更易于进入其层间,使其层片被剥离,形成小片。FE-SEM测试结果说明了不同的反应途径对复合材料的形态特征具有较大的影响。
2.3HR-TEM分析
图3给出了TiO2-GR1、TiO2-GR2的HR-TEM图。从图3(a)、(c)可以观察到复合材料中“轻纱”状的石墨烯及“斑点” 状的TiO2颗粒分布情况,这与SEM图中显示复合材料形态特征是相符的。通过计算图3(b)、(d)中方框位 置的条纹 宽度,可知晶面间 距分别约 为3.62A、3.58A。 结合对图1的XRD谱图分析结果,可知两者均为锐钛矿(101)晶面。从图3 (b)、(d)中插图可以观察到,六方结构的衍射斑点对应了石墨烯晶胞的(100)晶面,而六方格子上方或下方零星的衍射斑点则对应了锐钛矿(101)晶面。HR-TEM测试证实了石墨烯片层上有TiO2晶粒的存在。这说明了[TiO]2+基团能够在氧化石墨烯片的表面成核生长。
2.4BET分析
氮气吸附脱附等温曲线和孔径分布曲线(插图)
图4给出了TiO2-GR1、TiO2-GR2的氮气吸附脱附等温曲线和孔径分布曲线(插图),根据IU PAC分类,两种曲线均为IV型吸附-脱附等温曲线,迟滞回线类型均为H1型,这说明2种复合材料为孔径分布相对较窄,尺寸较均匀的球形颗 粒堆积的介孔材料。通过BET测定,TiO2-GR1的孔径大 小为3.63nm,比表面积293.85m3/g。TiO2-GR2的孔径大小为3.38nm,比表面积239.04m3/g。 相对于现 有文献报 道的TiO2-GO及TiO2-GR复合材料的比表面积数据[21,22],两种复合材料都有较大的比表面积。对比可知,TiO2-GR1较TiO2GR2具有更大的比表面积,高出了54.81m3/g,约23%。这说明了不同的反应途径对复合材料的比表面积具有较大的影响。
2.5电化学性能测试
2.5.1循环伏安测试
图5是2种复合材 料在不同 扫描速度 下的循环 伏安曲线。从曲线中可以看出,在低扫速下,曲线均呈现出类似于矩形的形状,说明复合材料具有优良的双电层性能。随着扫速 的增大,矩形度有一定的变化,说明其电容有一定的衰减。但在较大扫速下,循环伏安曲线还能呈现出较好的矩形度,这说明复合材料具有较好的功率特征,循环性能较好。循环伏安 曲线上没有出现氧化还原峰,这表明复合材料中形成的为双 电层电容,但其矩形度的变化说明其表明具有一定的法拉第 电容,但其相对值较小。
对比2曲线可知,在质量相 同的情况 下,TiO2-GR1的面积大于TiO2-GR2,这说明了前者的质量比电 容较大,这也可从BET分析中的TiO2-GR1具有更大比表面积得到验证。对比还可看 到TiO2-GR1在高扫速 下的矩形 度要优于TiO2GR2,在说明前者的双电层特性较为优良。这也说明了不同的反应途径对复合材料的质量比电容及双电层特性有较大的影响。
2.5.2EIS分析
图6是两种复合材料的交流阻抗图。交流阻抗测试的实验参数为:频率范围100mHz~100kHz,振幅5mV,电位稳定时间2s。从图中可以看到,TiO2-GR1的直线斜率较大,这说明了其Warburg阻抗较小。从插图中的曲线可以看到,TiO2GR1在高频端 与实轴交 点代表的 电容器的 欧姆电阻 为1.44Ω·cm2,高频段半圆 弧直径体 现的电荷 转移电阻 约为0.20Ω·cm2。而TiO2-GR2两者数据 分别约为1.51Ω·cm2、 0.25Ω·cm2。这说明利用复合材料制做的电容器电容均具有较小的内阻[22],说明溶液离子在电极中所遇到的动力学阻碍较小,即溶液离子能 够较容易 地在电极 中扩散和 迁入迁出。 而相对来说TiO2-GR1具有更好的电化学性能,这也说明了不同的反应途径对复合材料的电化学性能有一定的影响。
2.6催化性能测试
图7给出了TiO2-GR1、TiO2-GR2及TiO2在可见光的条件下对光催化及光电催化降解曲线。结果表明:
(1)复合材料的催化性能优于TiO2。这可能是由于石墨烯共轭π键分子的杂化作用[25,26,27],使得TiO2导带上的光生电子可以通过共轭 π键分子向石墨烯的空轨道转移,两者的协同效应提高了量子效率。
(2)复合材料的光电催化效率高于光催化效 率。这可能是在外加电极电压的作用下,光生电子发生了定向运动,而石墨烯具有的优良物理特性也为光生电子的迅速转移提供了有利条件;此外,复合材料具有优良的双电层性能,并具有较 小的内阻,溶液离子在外加电极电压的作用下定向向电极扩散时,遇到的动力学阻 碍较小,能够较容 易地迁入 到电极中 与TiO2光生空穴产生的羟基自由基等活性物质反应。
(3)TiO2-GR1的催化性 能优于同 等反应条 件下TiO2GR2。前者对ARB进行光电催化降解时,30min内其降解效率为1.08mg/(min·g),反应240min可以使ARB达到93.6% 的降解率。后者30min内的降解效率为0.86mg/(min·g),反应240min的降解率为80.3%。可能原因 是TiO2-GR1在晶型结构、比表面积、电化学性质等方面具有更好的特性。这也说明了 不同的反 应途径对 复合材料 的催化性 能具有较 大的影响。
3结论
(1)不同的反应途径对复合材料的形态特征、晶型结构、 比表面积、电化学性质及催化性能具有较大的影响。